| 研究領域 | 分子アーキテクトニクス：単一分子の組織化と新機能創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
25110011
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
山田 豊和 千葉大学, 融合科学研究科(研究院), 准教授 (10383548)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | マイクロ・ナノデバイス / 走査プローブ顕微鏡 / ナノ材料 / 原子・分子物理 / 表面・界面物性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では原子分解能を有する走査トンネル顕微鏡(STM)を用いる。STMは、“観る”だけでなく探針を用いて分子を操作できる。動かしたい分子に探針を接近させ、横方向へ針を動かすと１個の分子だけを選択的に移動できる。さらに、電気伝導測定を行いながら探針を分子へ接近させ、探針先端を分子に接触させる事で単分子接合を作成し、単一分子を介する伝導が測定できる。２０１１年に我々はスピン偏極STMを用いて１個の有機分子を介する伝導を調べた所、単一分子を挟む２つの磁性電極の磁化の結合（平行・反平行）で分子を介する伝導を制御できることを発見した。本研究では「スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明」を行ってきている。
以下の３研究テーマの測定・解明を目指してきている。（１）STM原子操作による磁性原子と単一分子複合体を介する磁気伝導。（２）CO単一分子・磁性原子複合体を介する磁気伝導測定。（３）グラフェンナノリボン伝導への有機分子・磁性原子ドープ効果。
（１）原子レベルで平坦な基板に吸着したπ電子系の単一フタロシアニン分子に、同じ基板上に吸着した単一磁性原子をSTM探針で動かし任意の位置に吸着させる。原子は、分子の吸着位置により異なる配位子場分裂を生じ、異なるスピン角運動量Sおよび伝導が生じると考える。原子レベルでの分子伝導制御を行う。（２）２次元CO膜は分子グラフェンの特性を示すことが知られる。このCO分子と単一磁性原子をSTM原子操作で組み合わせることで、人工的に新たな原子複合体ができる。１個の原子・分子が与える伝導への影響を正確に測定する。（３）グラフェンナノリボンはグラフェンと類似の伝導特性を有するが、幅とキラリティを有する。これに単一分子・単一磁性原子・単一ナノ磁石を吸着することで、グラフェン伝導の新たな可能性を探る。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「スピン偏極STMによる単一分子を介する磁気伝導の解明」では、上記の３つの研究テーマの実現を目指して研究を順次行ってきている。
（１）２０１５年度までに、Cu(111)基板上にH2Pc単一分子を吸着し、同じ試料基板上にFe単一原子を吸着した。STM探針を用いて原子を分子に向けて動かした。その結果、分子の上２サイトに吸着することがわかった：分子の中心と側鎖の上。STM分光測定と第一原理計算より、吸着サイトにより異なる配位子場分裂が生じFe原子のスピン角運動量が変化することが分かった。Co原子でも同様に測定を行った。
（２）CO単一分子を介する伝導は、Cu(111)基板上のCO分子を吸着しW探針を用いて[Cu/CO/W]接合を作成、約0.1Goであった。しかし、CO単一分子をW探針先端に吸着し、[Cu/CO-OC/W]接合では伝導は0.002Goまで急激に減少した。原因は、CO分子同士が接近した際、CO分子間で斥力が働きCu(111)上の分子が横方向に一原子格子分移動したためであった。さらにCu(111)上の隣り合う２つのCO分子に対して伝導測定を行うと、伝導0.001Goでふたたび横方向に動いた。この伝導測定の結果から、各接合の場合のポテンシャル曲線を作成できた。
（３）A01班の田中啓文グループとの共同研究で、グラフェンナノリボンを金膜基板上に液滴し、これを我々の装置で超高真空加熱することで、清浄なグラフェンナノリボンを得た。偶然、２枚のグラフェンナノリボンが交差する位置を見つけ、ここでSTM分光測定を行った。Au膜上のGNRは通常金属的な特性を示すが、クロス部分ではギャップが開きp型半導体特性を示した。また、グラフェンナノリボン内では、電子状態を形状の変化に比べて非常に安定である事も確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
２０１５年度までの研究実績をふまえ、本研究の最終目標を達成するため以下を行う。
（１）フタロシアニン単一分子にFeやCo原子をSTM原子操作で吸着することには成功した。次にこの原子を吸着した状態での単一分子伝導測定を行う。さらに、１個の磁性原子をW探針でピックアップすることで、探針が磁性探針となる。Cu(111)基板にCoナノ磁石を吸着することで、単一原子・分子を介する磁気伝導効果の測定を行う。[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/CO分子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/ CO分子/W-tip]、[Co(111)/Pc分子/CO分子/W-tip]、[Co(111)/Pc分子/Fe原子/W-tip]接合の伝導計測を行い、単一原子・分子を介する伝導メカニズムを解明する。
（２）Cu(111)基板上で、Fe単一原子にCO単一分子をSTMマニピュレーションにより吸着させる。非弾性STM分光測定より、分子振動の変化、さらに伝導の変化を確認する。Co単一原子（Kondo共鳴発現）にCO分子を吸着させていき、Kondo共鳴がCO単一分子によりどのような影響を受けるのか確認する。
（３）超電導コイルの自作を行ってきた。２０１５年度までに完成させた。これを用いて上記の伝導測定に磁場を印加できる。磁気応答測定を行っておく。
（４）グラフェンナノリボンの作製・準備手法は確立できた。これに磁性原子・分子・ナノ磁石を吸着していく。グラフェンへの電子状態・伝導への効果を原子レベルで可視化する。
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